Σ-алгебра - Σ-algebra
В математический анализ И в теория вероятности, а σ-алгебра (также σ-поле) на множестве Икс это коллекция Σ из подмножества из Икс это включает Икс сам по себе закрыто под дополнять, и закрыт счетный союзы.
Определение подразумевает, что оно также включает пустое подмножество и что он замкнут при счетной перекрестки.
Пара (Икс, Σ) называется измеримое пространство или борелевское пространство.
Σ-алгебра - это тип алгебра множеств. Алгебру множеств нужно только замкнуть относительно союз или же пересечение из конечно много подмножеств, что является более слабым условием.[1]
Основное использование σ-алгебр заключается в определении меры; в частности, набор тех подмножеств, для которых определена данная мера, обязательно является σ-алгеброй. Эта концепция важна в математический анализ в качестве основы для Интеграция Лебега, И в теория вероятности, где он интерпретируется как набор событий, которым можно присвоить вероятности. Кроме того, с вероятностью σ-алгебры играют ключевую роль в определении условное ожидание.
В статистика, (под) σ-алгебры необходимы для формального математического определения достаточная статистика,[2] особенно, когда статистика является функцией или случайным процессом, а понятие условная плотность не применимо.
Если Икс = {а, б, c, d}, одна возможная σ-алгебра на Икс является Σ = {∅, {а, б}, {c, d}, {а, б, c, d} }, где ∅ - пустой набор. Вообще говоря, конечная алгебра всегда является σ-алгеброй.
Если {А1, А2, А3,…} - счетное раздел из Икс тогда совокупность всех объединений множеств в разбиении (включая пустое множество) является σ-алгеброй.
Более полезный пример - это набор подмножеств реальная линия сформированный, начиная со всех открытые интервалы и добавление всех счетных объединений, счетных пересечений и относительных дополнений и продолжение этого процесса (путем трансфинитная итерация через все счетные ординалы ) до тех пор, пока не будут достигнуты соответствующие свойства замыкания - σ-алгебра, созданная этим процессом, известна как Борелевская алгебра на действительной прямой, а также может рассматриваться как наименьшая (т.е. «грубая») σ-алгебра, содержащая все открытые множества или, что эквивалентно, содержащая все замкнутые множества. Это основа для теория меры, и поэтому современные теория вероятности, и родственная конструкция, известная как Борелевская иерархия имеет отношение к описательная теория множеств.
Мотивация
Существует по крайней мере три ключевых мотивации для σ-алгебр: определение мер, управление пределами множеств и управление частичной информацией, характеризуемой множествами.
Мера
А мера на Икс это функция который присваивает неотрицательный настоящий номер к подмножествам Икс; это можно рассматривать как уточнение понятия «размер» или «объем» для наборов. Мы хотим, чтобы размер объединения непересекающихся множеств был суммой их индивидуальных размеров, даже для бесконечной последовательности непересекающиеся множества.
Хотелось бы присвоить размер каждый подмножество Икс, но во многих естественных условиях это невозможно. Например, аксиома выбора означает, что, когда рассматриваемый размер является обычным понятием длины для подмножеств реальной линии, тогда существуют множества, для которых не существует размера, например Виталий наборы. По этой причине вместо этого рассматривается меньший набор привилегированных подмножеств Икс. Эти подмножества будем называть измеримыми множествами. Они закрыты для операций, которые можно ожидать от измеримых множеств; то есть дополнение к измеримому множеству является измеримым множеством, а счетное объединение измеримых множеств является измеримым множеством. Непустые наборы множеств с этими свойствами называются σ-алгебрами.
Пределы наборов
Многие виды использования меры, такие как концепция вероятности почти верная сходимость, вовлекать пределы последовательностей множеств. Для этого первостепенное значение имеет закрытие при счетных объединениях и пересечениях. Пределы множеств определяются на σ-алгебрах следующим образом.
- Предельный супремум последовательности А1, А2, А3, ..., каждый из которых является подмножеством Икс, является
- Предельная нижняя грань последовательности А1, А2, А3, ..., каждый из которых является подмножеством Икс, является
- Если на самом деле
- затем существует как этот общий набор.
Под σ-алгебры
С большой долей вероятности, особенно когда условное ожидание вовлекается, каждый имеет дело с наборами, которые представляют только часть всей возможной информации, которую можно наблюдать. Эту частичную информацию можно охарактеризовать с помощью меньшей σ-алгебры, которая является подмножеством основной σ-алгебры; он состоит из набора подмножеств, относящихся только к частичной информации и определяемых ею. Достаточно простого примера, чтобы проиллюстрировать эту идею.
Представьте, что вы и другой человек делаете ставку на игру, которая включает в себя многократное подбрасывание монеты и наблюдение за тем, выпадает ли она решкой (ЧАС) или решки (Т). Поскольку каждый из вас и ваш оппонент бесконечно богат, нет предела продолжительности игры. Это означает пространство образца Ω должно состоять из всевозможных бесконечных последовательностей ЧАС или же Т:
Однако после п бросок монеты, вы можете определить или пересмотреть свою стратегию ставок перед следующим броском. Наблюдаемая информация в этот момент может быть описана в терминах 2п возможности для первого п переворачивает. Формально, поскольку вам нужно использовать подмножества Ω, это кодифицируется как σ-алгебра
Заметьте, что тогда
куда - наименьшая σ-алгебра, содержащая все остальные.
Определение и свойства
Определение
Позволять Икс быть некоторым набором, и пусть представлять его набор мощности. Тогда подмножество называется σ-алгебра если он удовлетворяет следующим трем свойствам:[3]
- Икс находится в Σ, и Икс считается универсальный набор в следующем контексте.
- Σ является закрыт при дополнении: Если А находится в Σ, то и его дополнять, Икс А.
- Σ является закрыто по счетным союзам: Если А1, А2, А3, ... лежат в Σ, то и А = А1 ∪ А2 ∪ А3 ∪ … .
Из этих свойств следует, что σ-алгебра также замкнута относительно счетной перекрестки (применяя Законы де Моргана ).
Отсюда также следует, что пустой набор Принадлежит Σ, так как по (1) Икс находится в Σ и (2) утверждает, что его дополнение, пустое множество, также находится в Σ. Более того, поскольку {Икс, ∅} удовлетворяет условию (3) также следует, что {Икс, ∅} наименьшая возможная σ-алгебра на Икс. Максимально возможная σ-алгебра на Икс 2Икс:=.
Элементы σ-алгебра называются измеримые множества. Заказанная пара (Икс, Σ), куда Икс - множество, Σ - σ-алгебра над Икс, называется измеримое пространство. Функция между двумя измеримыми пространствами называется измеримая функция если прообраз каждого измеримого множества измеримо. Набор измеримых пространств образует категория, с измеримые функции в качестве морфизмы. Меры определяются как определенные типы функций из σ-алгебра к [0, ∞].
Σ-алгебра одновременно является π-система и Система Дынкина (λ-система). Верно и обратное по теореме Дынкина (см. Ниже).
Теорема Дынкина π-λ
Эта теорема (или связанная с ней теорема о монотонном классе ) является важным инструментом для доказательства многих результатов о свойствах конкретных σ-алгебр. Он основан на природе двух более простых классов множеств, а именно следующих.
- А π-система п набор подмножеств X, замкнутый относительно конечного числа пересечений, и
- а Система Дынкина (или λ-система) D представляет собой набор подмножеств X, содержащий X и замкнутый относительно дополнения и счетных объединений непересекающийся подмножества.
Теорема Дынкина π-λ говорит, что если п является π-системой и D система Дынкина, содержащая п то σ-алгебра σ (п) генерируется к п содержится в D. Поскольку некоторые π-системы являются относительно простыми классами, нетрудно проверить, что все множества в п пользоваться рассматриваемым имуществом, с другой стороны, показывая, что коллекция D всех подмножеств со свойством является система Дынкина также может быть простой. Тогда из теоремы Дынкина о π-λ следует, что все множества в σ (п) обладают этим свойством, избегая задачи проверки его для произвольного множества в σ (п).
Одно из наиболее фундаментальных применений теоремы π-λ - показать эквивалентность отдельно определенных мер или интегралов. Например, он используется для приравнивания вероятности случайной величины. Икс с Интеграл Лебега-Стилтьеса обычно связаны с вычислением вероятности:
- для всех А в борелевской σ-алгебре на р,
куда F(Икс) это кумулятивная функция распределения за Икс, определенные на р, пока это вероятностная мера, определенная на σ-алгебре Σ подмножеств некоторых пространство образца Ω.
Объединение σ-алгебр
Предполагать представляет собой набор σ-алгебр на пространстве Икс.
- Пересечение набора σ-алгебр является σ-алгеброй. Чтобы подчеркнуть ее характер как σ-алгебры, ее часто обозначают:
- Эскиз доказательства: Позволять Σ∗ обозначим пересечение. С Икс есть в каждом Σα, Σ∗ не пусто. Закрытие при дополнительных и счетных союзах для каждого Σα подразумевает, что то же самое должно быть верно для Σ∗. Следовательно, Σ∗ является σ-алгеброй.
- Объединение набора σ-алгебр, вообще говоря, не является σ-алгеброй или даже алгеброй, но генерирует σ-алгебра, известная как присоединиться который обычно обозначается
- Π-система, порождающая соединение, есть
- Эскиз доказательства: По делу п = 1 видно, что каждый , так
- Из этого следует
- по определению σ-алгебры генерируется набором подмножеств. С другой стороны,
- что, согласно теореме Дынкина о π-λ, влечет
σ-алгебры для подпространств
Предполагать Y это подмножество Икс и разреши (Икс, Σ) - измеримое пространство.
- Коллекция {Y ∩ B: B ∈ Σ} является σ-алгеброй подмножеств Y.
- Предполагать (Y, Λ) - измеримое пространство. Коллекция {А ⊂ Икс : А ∩ Y ∈ Λ} является σ-алгеброй подмножеств Икс.
Отношение к σ-кольцу
А σ-алгебра Σ - это просто σ-звенеть содержащий универсальный набор Икс.[4] А σ-кольцо не обязательно должно быть σ-алгебра, как, например, измеримые подмножества нулевой меры Лебега на вещественной прямой являются σ-кольцо, но не σ-алгебра, поскольку действительная прямая имеет бесконечную меру и, следовательно, не может быть получена их счетным объединением. Если вместо нулевой меры взять измеримые подмножества конечной меры Лебега, это будут звенеть но не σ-кольцо, так как действительная прямая может быть получена их счетным объединением, но ее мера не конечна.
Типографское примечание
σ-алгебры иногда обозначают с помощью каллиграфический заглавные буквы, или Шрифт Fraktur. Таким образом (Икс, Σ) можно обозначить как или же .
Частные случаи и примеры
Сепарабельные σ-алгебры
А сепарабельная σ-алгебра (или же сепарабельное σ-поле) является σ-алгеброй это отделяемое пространство когда рассматривается как метрическое пространство с метрика за и данный мера (и с будучи симметричная разница оператор).[5] Отметим, что любая σ-алгебра, порожденная счетный коллекция наборы отделимо, но обратное не обязательно. Например, σ-алгебра Лебега отделима (поскольку любое измеримое по Лебегу множество эквивалентно некоторому борелевскому множеству), но не счетно порождена (поскольку ее мощность больше континуума).
Сепарабельное пространство с мерой имеет естественную псевдометрический что делает это отделяемый как псевдометрическое пространство. Расстояние между двумя наборами определяется как мера симметричная разница из двух наборов. Обратите внимание, что симметричная разность двух различных множеств может иметь нулевую меру; следовательно, псевдометрика, как определено выше, не обязательно должна быть истинной метрикой. Однако если множества, симметричная разность которых имеет нулевую меру, идентифицируются в один класс эквивалентности, результирующий набор частных можно правильно метризовать индуцированной метрикой. Если пространство меры сепарабельно, можно показать, что соответствующее метрическое пространство тоже.
Простые примеры на основе наборов
Позволять Икс быть любым набором.
- Семейство, состоящее только из пустого множества и множества Икс, называемый минимальным или тривиальная σ-алгебра над Икс.
- В набор мощности из Икс, называется дискретная σ-алгебра.
- Коллекция {∅, А, Аc, Икс} - простая σ-алгебра, порожденная подмножеством А.
- Коллекция подмножеств Икс которые счетны или дополнения которых счетны, является σ-алгеброй (отличной от множества степеней Икс если и только если Икс бесчисленное множество). Это σ-алгебра, порожденная синглтоны из Икс. Примечание: «счетный» включает конечное или пустое.
- Коллекция всех объединений множеств в счетном раздел из Икс является σ-алгеброй.
Остановка времени σ-алгебры
А время остановки может определить -алгебра , так называемой -Алгебра τ-прошлого, которая в фильтрованное вероятностное пространство описывает информацию до случайного времени в том смысле, что, если фильтрованное вероятностное пространство интерпретируется как случайный эксперимент, максимальная информация, которую можно получить об эксперименте, произвольно часто повторяя его до момента является .[6]
σ-алгебры, порожденные семействами множеств
σ-алгебра, порожденная произвольным семейством
Позволять F - произвольное семейство подмножеств Икс. Тогда существует единственная наименьшая σ-алгебра, содержащая каждое множество из F (хотя F может быть или не быть σ-алгеброй). Фактически это пересечение всех σ-алгебр, содержащих F. (См. Пересечения σ-алгебр выше.) Эта σ-алгебра обозначается σ (F) и называется σ-алгебра, порожденная F.
Тогда σ (F) состоит из всех подмножеств Икс что можно сделать из элементов F счетным числом операций дополнения, объединения и пересечения. Если F пусто, то σ (F) = {Икс, ∅}, поскольку пустое объединение и пересечение создают пустое множество и универсальный набор, соответственно.
В качестве простого примера рассмотрим набор Икс = {1, 2, 3}. Тогда σ-алгебра, порожденная единственным подмножеством {1}, является σ ({{1}}) = {∅, {1}, {2, 3}, {1, 2, 3}}. Автор злоупотребление обозначениями, когда набор подмножеств содержит только один элемент, Аможно написать σ (А) вместо σ ({А}), если ясно, что А это подмножество Икс; в предыдущем примере σ ({1}) вместо σ ({{1}}). Действительно, используя σ (А1, А2, ...) значить σ ({А1, А2, ...}) также довольно часто.
Есть много семейств подмножеств, которые порождают полезные σ-алгебры. Некоторые из них представлены здесь.
σ-алгебра, порожденная функцией
Если ж функция из множества Икс к набору Y и B является σ-алгеброй подмножеств Y, то σ-алгебра, порожденная функцией ж, обозначаемый σ (ж), это совокупность всех прообразов ж -1(S) множеств S в B. т.е.
Функция ж из набора Икс к набору Y является измеримый относительно σ-алгебры Σ подмножеств Икс тогда и только тогда, когда σ (ж) является подмножеством Σ.
Одна распространенная ситуация, понимаемая по умолчанию, если B не указано явно, это когда Y это метрика или же топологическое пространство и B это собрание Наборы Бореля на Y.
Если ж это функция от Икс к рп тогда σ (ж) порождается семейством подмножеств, которые являются прообразами интервалов / прямоугольников в рп:
Полезным свойством является следующее. Предполагать ж измеримое отображение из (Икс, ΣИкс) к (S, ΣS) и грамм измеримое отображение из (Икс, ΣИкс) к (Т, ΣТ). Если существует измеримая карта час из (Т, ΣТ) к (S, ΣS) такие, что ж(Икс) = час(грамм(Икс)) для всех Икс, то σ (ж) ⊂ σ (грамм). Если S конечна или счетно бесконечна или, в более общем смысле, (S, ΣS) это стандартное борелевское пространство (например, сепарабельное полное метрическое пространство с ассоциированными с ним борелевскими множествами), то верно и обратное.[7] Примеры стандартных борелевских пространств включают рп со своими борелевскими множествами и р∞ с цилиндрической σ-алгеброй, описанной ниже.
Борелевские и лебеговые σ-алгебры
Важным примером является Борелевская алгебра по любому топологическое пространство: σ-алгебра, порожденная открытые наборы (или, что то же самое, закрытые наборы ). Обратите внимание, что эта σ-алгебра, вообще говоря, не является полным набором степеней. Нетривиальный пример, не являющийся борелевским множеством, см. В Виталий набор или же Неборелевские множества.
На Евклидово пространство рпважна другая σ-алгебра: алгебра всех Измеримый по Лебегу наборы. Эта σ-алгебра содержит больше множеств, чем борелевская σ-алгебра на рп и предпочтительнее в интеграция теория, поскольку она дает полное пространство измерения.
Произведение σ-алгебры
Позволять и - два измеримых пространства. Σ-алгебра для соответствующей пространство продукта называется произведение σ-алгебры и определяется
Заметьте, что является π-системой.
Борелевская σ-алгебра для рп порождается полубесконечными прямоугольниками и конечными прямоугольниками. Например,
Для каждого из этих двух примеров производящее семейство представляет собой π-система.
σ-алгебра, порожденная цилиндрическими множествами
Предполагать
является набором действительных функций на . Позволять обозначим борелевские подмножества р. Для каждого и а подмножество цилиндров из Икс конечно ограниченное множество, определяемое как
Для каждого ,
является π-системой, порождающей σ-алгебру . Тогда семейство подмножеств
это алгебра, которая порождает цилиндрическая σ-алгебра за Икс. Эта σ-алгебра является подалгеброй борелевской σ-алгебры, определяемой топология продукта из ограниченный Икс.
Важный частный случай - это когда набор натуральных чисел и Икс представляет собой набор последовательностей с действительными значениями. В этом случае достаточно рассмотреть цилиндрические множества
для которого
является неубывающей последовательностью σ-алгебр.
σ-алгебра, порожденная случайной величиной или вектором
Предполагать это вероятностное пространство. Если измерима относительно борелевской σ-алгебры на рп тогда Y называется случайная переменная (п = 1) или же случайный вектор (п > 1). Σ-алгебра, порожденная Y является
σ-алгебра, порожденная случайным процессом
Предполагать это вероятностное пространство и - множество действительных функций на . Если измерима относительно цилиндрической σ-алгебры (см. выше) для Икс, тогда Y называется случайный процесс или же случайный процесс. Σ-алгебра, порожденная Y является
σ-алгебра, порожденная прообразами цилиндрических множеств.
Смотрите также
- Алгебра множеств
- δ-кольцо
- Поле наборов
- Присоединиться (сигма-алгебра)
- λ-система (система Дынкина)
- Измеримая функция
- π-система
- Кольцо наборов
- Образец пространства
- σ-кольцо
- Аддитивность сигмы
Рекомендации
- ^ «Вероятность, математическая статистика, случайные процессы». Случайный. Университет Алабамы в Хантсвилле, Департамент математических наук. Получено 30 марта 2016.
- ^ Биллингсли, Патрик (2012). Вероятность и мера (Юбилейный ред.). Вайли. ISBN 978-1-118-12237-2.
- ^ Рудин, Вальтер (1987). Реальный и комплексный анализ. Макгроу-Хилл. ISBN 978-0-07-054234-1.
- ^ Веструп, Эрик М. (2009). Теория мер и интеграции. Джон Вили и сыновья. п. 12. ISBN 978-0-470-31795-2.
- ^ Джамоня, Мирна; Кунен, Кеннет (1995). «Свойства класса мерно сепарабельных компактов» (PDF). Fundamenta Mathematicae: 262.
Если борелевская мера на , алгебра мер булева алгебра всех борелевских множеств по модулю -нулевые наборы. Если конечно, то такая алгебра мер также является метрическим пространством, причем расстояние между двумя множествами является мерой их симметрической разности. Затем мы говорим, что является отделяемый если только это метрическое пространство отделимо как топологическое пространство.
- ^ Фишер, Том (2013). «О простых представлениях моментов остановки и сигма-алгебр времени остановки». Статистика и вероятностные письма. 83 (1): 345–349. arXiv:1112.1603. Дои:10.1016 / j.spl.2012.09.024.
- ^ Калленберг, Олав (2001). Основы современной вероятности (2-е изд.). Springer. п.7. ISBN 978-0-387-95313-7.
внешняя ссылка
- «Алгебра множеств», Энциклопедия математики, EMS Press, 2001 [1994]
- Сигма Алгебра в PlanetMath.org.